一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于海洋工程数据处理技术领域，公开了一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用。基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，并根据柔性微段转角特点建立节点弯矩、角度和长度的关系模型；结合建立的节点弯矩、角度和长度的关系模型受力及顶部边界条件，通过各节点处力和弯矩的平衡关系建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；在此基础上结合海流流速、底部防喷器重量以及顺应式垂直通路立管浮力块和重力块，得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。动态响应规律。动态响应规律。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用


[0001]本专利技术属于海洋工程数据处理
，尤其涉及一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]顺应式垂直通路立管（Compliant Vertical Access Riser，CVAR）是一种特殊构型的新型顺应式刚性立管，在深水及超深水海洋油气开发中具有广阔的应用前景，对其安装下放过程中的动力响应分析对保障作业安全具有重要工程意义。
[0003]目前对于海洋立管安装下放过程的动力分析将立管下放作业视为静态过程，只选取立管不同下放长度进行分析，而忽略了下放作业的连续性。而顺应式垂直通路立管安装下放过程涉及复杂的变长度动力响应，另外其独特的浮力块和重力块配置以及环境荷载都会使其动力响应更加复杂。但目前关于顺应式垂直通路立管研究仍处于起步阶段，关于其安装下放过程中的变长度动力响应分析方法仍未建立，无法准确了解顺应式垂直通路立管在安装下放过程中的动力学特性。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：（1）现有方法并不能实现顺应式垂直通路立管安装下放过程中的变长度动力响应计算，使得得到的顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律数据准确度低。
[0005]（2）现有技术在顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应预测中，由于预测精度差，不能为深水顺应式垂直通路立管安装作业安全提供技术保障。

技术实现思路

[0006]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种垂直通路立管安装下放动力分析方法、系统及应用，具体涉及一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法。
[0007]所述技术方案如下：深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法包括：S1，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角特点求解微段转角，进而通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；S2，基于建立节点位移和速度求解模型，并结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；S3，结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。
[0008]在步骤S1中，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段具体包括：
以顶部浮体上立管安装下放设备作为原点O，沿着海流运动方向和垂直向下分别作为X轴和Y轴的正向，建立OXY全局坐标系，将顺应式垂直通路立管作为二维的Euler
‑
Bernoulli梁，并离散成N段等长度的柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型。
[0009]在步骤S1中，根据柔性微段转角特点求解微段转角包括：柔性微段在外力作用下发生弯曲，根据节点角度和微段角度，将立管微段的转角与立管微段的长度结合，建立柔性微段角度关系模型式（10）；柔性微段角度关系模型式（10）中，θ
i
是N
i
‑
N
i+1
微段的角度，代表X轴到线段N
i
‑
N
i+1
的转角；Δθ
i
是微段角度的变化，代表N
j
节点切线到直线N
i
‑
N
i+1
的转角；φ
i
和φ
i+1
均为节点角度，分别代表X轴到节点N
i
切线和节点N
i+1
切线的转角；Δφ
i
表示为节点N
i
切线和节点N
i+1
切线之间的转角，为节点角度的变化；微段中的弯矩呈线性变化，分别设节点N
i
切线和节点N
i+1
的弯矩为M
i
和M
i+1
，柔性微段弯矩关系模型中微段上距离节点N
i
任意长度l处的弯矩表示为：（1）其中为某一时刻微段的长度根据弹性力学理论，曲率和弯矩的关系为：（2）其中，ρ为曲率，M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩；根据节点弯矩、角度和长度的关系模型建立柔性微段模型弯曲模型，其中，ds两端法线的交点为曲率中心，则曲率半径ρ由下式（3）求得：（3）式中为微分弧段，为微分弧段转角；将方程（3）代入方程（2），得到：（4）将方程（1）代入方程（4），并在微段长度上进行积分，得到柔性微段节点转角变化Δφ
i
的表达式如式（5）：（5）根据几何关系Δθ
i
表示为：（6）微段节点角度φ
i
表示为：
（7）将方程（4）代入方程（7），微段节点角度φ
i
为：（8）微段角度θ
i
为：（9）将方程（6）、方程（8）代入方程（9），微段角度θ
i
进一步表示为：（10）将上述微段角度和微段节点角度的关系式写成矩阵的形式如下：（11）（12）其中，φ=[φ2，φ3，φ4，
…
，φ
n+1
]T
，φ1=[φ1，φ1，φ1，
…
，φ1]T
，θ=[θ1，θ2，θ3，
…
，θ
n
]T
，P1和P2分别是由方程（8）和方程（10）得到的n
×
n矩阵。
[0010]在步骤S1中，通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型中，节点位移求解模型求解包括：节点N
i+1
在X方向上的坐标为：（13）同理节点N
i+1
在Y方向上的坐标为：（14）节点速度求解模型求解包括：在获得节点N
i+1
的位移后，节点N
i+1
的在X方向和Y方向上的速度和，加速度和进一步通过下式（15）、式（16）分别求得；（15）
（16）
[0011]在步骤S2中，结合节点弯矩、角度和长度的关系模型受力和顶部边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型包括：顺应式垂直通路立管安装下放过程中所受到的外力包括：水动力、净重力以及惯性力；质量和外力作用在节点上，作用在每个节点上的外力满足弯矩平衡方程：（17）式中，，分别为作用在节点N
i
处合外力在X方向和Y方向的分量；根据节点N1，N2，N3，
…
，N
n
的弯矩平衡关系，建立n个方程组，获得变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；其中，每个节点上的弯矩值均未知，拥有n个未知量，对于最后一个节点N
n+1
，由于立管安装状态下立管底端自由，通过边界条件定义节点N
n+1
处的弯矩；在安装下放阶段，立管底部边界处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，该方法包括：S1，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型，根据柔性微段转角求解微段转角，再通过微段转角建立节点位移求解模型和节点速度求解模型；S2，基于建立节点位移和速度求解模型，结合模型受力和两端边界条件，通过各节点处力和弯矩的弯矩平衡方程建立变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型；S3，结合海流流速、底部防喷器重量以及浮力块和重力块对顺应式垂直通路立管的作用力，并通过建立的变长度顺应式垂直通路立管动力分析模型得到顺应式垂直通路立管在安装垂向下放过程中的变长度动态响应规律。2.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S1中，基于有限元离散方法将顺应式垂直通路立管划分成柔性微段具体包括：以顶部浮体上立管安装下放设备作为原点O，沿着海流运动方向和垂直向下分别作为X轴和Y轴的正向，建立OXY全局坐标系，将顺应式垂直通路立管作为二维的Euler
‑
Bernoulli梁，并离散成N段等长度的柔性微段，建立顺应式垂直通路立管柔性微段模型。3.根据权利要求1所述的深水顺应式垂直通路立管安装下放动力分析方法，其特征在于，在步骤S1中，根据柔性微段转角求解微段转角包括：柔性微段在外力作用下发生弯曲，根据节点角度和微段角度，将立管微段的转角与立管微段的长度结合，建立柔性微段角度关系模型式为：（10）柔性微段角度关系模型式（10）中，θ
i
是N
i
‑
N
i+1
微段的角度，代表X轴到线段N
i
‑
N
i+1
的转角；Δθ
i
是微段角度的变化，代表N
j
节点切线到直线N
i
‑
N
i+1
的转角；φ
i
和φ
i+1
均为节点角度，分别代表X轴到节点N
i
切线和节点N
i+1
切线的转角；Δφ
i
表示为节点N
i
切线和节点N
i+1
切线之间的转角，为节点角度的变化；微段中的弯矩呈线性变化，分别设节点N
i
切线和节点N
i+1
的弯矩为M
i
和M
i+1
，柔性微段弯矩关系模型中微段上距离节点N
i
任意长度l处的弯矩表示为：（1）其中，为某一时刻微段的长度；根据弹性力学理论，曲率和弯矩的关系为：（2）其中，ρ为曲率，M为弯矩，E为弹性模量，I为截面惯性矩；根据节点弯矩、角度和长度的关系模型建立柔性微段模型弯曲模型，其中，ds两端法线的交点为曲率中心，则曲率半径ρ由下式（3）求得：（3）
式中，为微分弧段，为微分弧段转角；将方程（3）代入方程（2），得到：（4）将方程（1）代入方程（4），并在微段长度上进行积分，得到柔性微段节点转角变化Δφ
i
的表达式如式（5）：（5）根据几何关系Δθ
i
表示为：（6）微段节点角度φ
i
表示为：（7）将方程（4）代入方程（7），微段节点角度φ
i
为：（8）微段角度θ
i
为：（9）将方程（6）、方程（8）代入方程（9），微段角度θ
i
进一步表示为：（10）将上述微段角度和微段节点角度的关系式写成矩阵的形式如下：（11）（12） 其中，φ=[φ2，φ3，φ4，
…
，φ
n+1
]
T
，φ1=[φ1，φ1，φ1，
…
，φ1]
T
，θ=[θ1，θ2，θ3，
…
，θ
n
]
T
，P1和P2分别是由方程（8）和方程（10）得到的n
×

【专利技术属性】
技术研发人员：娄敏，梁维兴，张睿，王阳阳，王宇，党鹏博，陈圣文，崔承威，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：